血管低温保存中的冻结过程实际上是血管中水分不断结晶的过程，特别是在相变温区，其表观力学性能必然会因冰晶含量以及生长状况的不同而表现各异。因此，系统研究血管材料在低温相变温区的力学性能有助于了解血管材料在这一温区可能发生断裂的原因。对于生物材料来讲，其冻结过程中未冻水份额可以用来表征材料中水的结晶程度，是讨论生物材料冻结状态下力学性能差异的直接影响因素。因此，有必要首先对血管未冻水份额进行定量的研究。既然降温速率对冰晶的成核、生长都有很大影响，那么降温速率也是影响血管材料冻结过程力学性能的一个重要因素，因而研究降温速率对血管低温力学性能的影响是有意义的。在血管的低温保存中通常要添加合适的保护剂，而低温保护剂主要是因为水合作用而具有低温保护能力，因而定量研究保护剂浓度对未冻水份额的影响，继而研究血管经不同浓度低温保护剂处理后在低温下的力学性能，就可以从力学性质角度来讨论保护剂具有低温保护效果的原因。此外，由于断裂力学在讨论材料断裂强度问题时比强度力学更具有科学性，因此，有必要引入断裂力学观点来探讨血管材料的断裂力学性能及其影响因素。　　本文主要研究内容包括:①利用差示扫描量热仪(DSC)技术中的分步扫描(stepscan)法，研究不同浓度的低温保护剂对血管冻结过程中未冻水份额的影响;②利用热机械分析仪(TMA)技术，研究降温速率、低温保护剂浓度对血管冻结过程热膨胀行为的影响，获得不同条件下的热膨胀系数;③利用动态热机械分析仪(DMA)技术，研究温度、降温速率以及低温保护剂浓度对血管冻结状态下拉伸力学性质（弹性模量、极限应力强度）的影响;④根据前面②和③研究获得不同条件下的物性参数，利用ANSYS计算软件，全面考察降温速率以及低温保护剂浓度对热应力分布的影响，并考察血管有微裂纹存在时的应力集中现象;⑤从断裂力学的观点出发，利用DMA技术系统地研究温度、降温速率以及低温保护剂浓度对冻结状态下血管的断裂方式、裂纹扩展情况的影响，并进一步探讨血管在冻结状态下断裂判据的确定方法。　　本文主要研究成果与发现:　　首次将差示扫描量热仪的分步扫描(Stepscan-DSC)技术用于血管材料冻结过程中未冻水份额的定量研究，而且具有较高精度。实验研究表明，随着低温保护剂二甲亚砜(DMSO)浓度的增大，血管冻结过程的未冻水份额显著增大。有关未冻水份额估算公式的计算值与实验值相差较大，这说明在定量研究生物材料冻结过程的未冻水含量时，估算公式是有一定局限性的。　　实验研究发现，血管材料在相变温区的冻结过程中都是先膨胀，一旦相变完成后就会立即收缩。在本文所研究的降温速率范围内，降温速率越大，其热膨胀系数也越大，由此看来，降温速率是讨论富含水分生物材料的冻结膨胀问题时的一个重要参数。在相变温区内，生物材料冻结过程中的热膨胀系数是随着DMSO浓度的增加而明显减小的，一旦冻结完成，DMSO浓度对热膨胀系数影响不大。通过与以往有关生物材料冻结膨胀计算值对比分析表明，简单地将生物材料中水分冻结膨胀量看作是生物材料的冻结膨胀量是不合适的。　　由于兔胸主动脉在相变温区的未冻水份额变化很大，从而使得血管这一区间的弹性模量变化很大，增大了约两个数量级，极限应力强度随着温度降低而略有增大;而在相交过程完成后，弹性模量增大程度明显减小，而且在-80℃时的极限应力强度却小于-50℃时的极限强度，这可能与低应力脆断有关。当降温速率增大时，由于冰晶数量多而相互之间结合相对较松，所以其弹性模量会有所降低，但极限应力强度变化不大。低温保护剂的添加明显地改善了血管的低温力学性能，随着二甲亚砜(DMSO)浓度增大，其弹性模量显著减小，并由于缺乏冰晶的承载也会使得其极限应力强度逐渐减小，但当DMSO浓度增大到一定值时(如10％v/v)，这种变化不再明显。血管轴向和周向的拉伸力学性能表现出了较大差异，这也充分说明血管材料在冻结状态下仍然体现出各向异性的特点。　　通过理论计算表明，血管壁外表面所受的应力值最大，内表面次之，中心处的应力值略小于内表面的应力绝对值，因此可以认为血管冻结过程中，其外表面是最先出现裂纹的。不过，这有待进一步实验观察来验证。降温速率越大，血管内部最大温差也越大，引起血管内部热应力增大。在没有添加DMSO的情况下，最大热应力值是出现在热膨胀系数突变点，这说明热膨胀系数和弹性模量是影响热应力分布的最主要因素;而一旦添加DMSO后，血管冻结过程产生的热应力显著减小，特别是当DMSO浓度较高时（如10％v/v），血管冻结过程产生的最大应力值出现在最大温差所对应的温度(-4℃)附近，因此可以认为这种情况下温差是影响热应力分布的最主要原因。在血管冻结模型中引入微裂纹后，应力集中始终出现在裂尖点，而且，裂纹越小，其应力值越大，这是受血管材料断裂韧性因子KIC制约的。这个计算结果也表明，血管中存在超微小裂纹对于血管低温保存时的裂纹成核与扩展是非常危险的;而且降温速率越大，这种潜在的危险也就越大。　　无论从血管被拉断后的断口类型来看，还是从判断材料断裂方式的定量标准来看，血管材料在冻结相变完成前都是典型的韧性断裂，而相变完成后表现为典型的脆性断裂;虽然随着温度的降低，血管的机械强度增强（裂纹扩展越困难），但是血管的抗断裂能力却是减弱的（JIC减小），因此，这种观点也可以解释为何血管降温到深低温时发生断裂的几率是增大的。而血管经过快速降温到-50℃后的断裂方式仍然体现为典型的脆性断裂，并且经过快速降温后，机械强度减弱（裂纹易于扩展），但其抗断裂能力却增强了（JIC增大）。血管经过较高浓度DMSO处理后，在-50℃环境温度下表现出典型的韧性断裂，虽然机械强度减弱（裂纹易于扩展），但抗断裂能力显著增强（JIC显著增大）。在环境温度为-50℃时，血管周向拉伸断裂属韧性断裂范围;而轴向拉伸断裂是典型的脆性断裂。与血管轴向试样相比，周向的机械强度较小（裂纹易于扩展），但由于周向拉伸时的临界形变功相对较大，因而其抗断裂能力却反而大于轴向拉伸。